심층냉수 특성분석 및 지역냉방시스템에의 적용

Abstract

선진국에서는 호수와 해수가 보유하고 있는 저온의 심층수를 건물의 냉방을 위한 냉열에너지원으로 활용하는 방안에 대한 연구 및 실용화가 이루어지고 있으나 국내의 경우 기술적, 경제적 제한으로 인하여 에너지원에 대한 대상 확대 및 연구가 극히 드물며 활용에 기반이 되는 연구가 아직 부족하다. 본 연구는 호수 또는 하천수의 심층부에 존재하는 냉수를 도입, 열교환하여 건축물의 냉방에 필요한 냉수(Chilled Water)로 직접 이용하는 기술에 대한 연구이다. 이러한 이용방식은 년중 일정한 온도의 냉수를 항상 보유할 수 있는 일정 깊이 이상의 수심을 확보하고 있는 호수가 건축물 또는 도심지역 주변에 있어야만 가능한 방식이었기에 에너지원 활용기술에 있어서 그동안 간과되었으며 경제적 가치, 이용방법의 한계 등의 이유로 더 이상 사용하지 못하고 자연계로 최종 배출되는 에너지인 미활용에너지로 분류하여 주요 에너지원 개발대상에서 제외되어 왔다. 본 연구에서는 기존에 활용되지 못한 댐저장수 또는 호수가 보유하고 있는 심층의 냉수를 적극적으로 이용하여 건축물의 냉방열원으로의 활용 가능성을 평가하고 향후 심층수 냉방의 적용시 필요한 실질적인 적용방안을 제시하는데 그 목적을 두었다.

본 연구는 다음 7개의 장으로 구성되어 있으며 각 장의 구체적인 내용은 다음과 같다.

제 1 장에서는 연구의 배경 및 필요성, 연구의 목적, 범위 및 방법에 대하여 기술하였으며 연구의 방향을 설정하였다.

제 2 장에서는 기존의 하천수 및 호수, 댐저장수 등이 보유하고 있는 냉수의 활용방법과 현재 해양수 및 호수의 심층냉수를 이용하여 건물의 냉방열원으로 활용하는 해외 사례, 냉열원 수송시 발생되는 배관 열손실에 관한 기본이론을 검토하였다.

제 3 장에서는 댐 저장수의 심층부 영역에 존재하는 냉수를 냉방에너지원으로 이용하기 위해서 기본적으로 확보되어야하는 물리적 특성을 확인하기 위하여 대상댐 저장수의 선정과 댐 저장수(호수)의 연간 수온변화 양상, 월별 수온 및 탁도의 연직 분포 특성, 수심에 따른 수온분포, 수위변화에 수심확보, 취수한계 온도에 설정과 지형도를 기초로 한 이용 가능 수량 등을 파악하였다.

제 4 장에서는 전산유체 해석기법을 활용하여 저장수 영역내에 설치된 가상의 취수구를 통해 취수되는 냉수의 양과 주변부로부터 유입되는 양의 균형이 파괴되지 않는 범위를 CFD 시뮬레이션 기법을 통해서 산정하였다.

제 5 장에서는 취수가능 용량에 적합한 심층냉수 이용 냉방시스템을 제안하였으며 제안된 시스템의 운전시 공급가능한 냉열원의 양을 동적부하 해석 시뮬레이션을 통해 산출하였다.

제 6 장에서는 제안된 심층냉수 이용 냉방시스템을 대상으로 하여 경제성평가와 시스템 적용시 발생되는 이산화탄소 저감량을 분석하였다.

제 7 장에서는 본 연구의 수행을 통해 도출된 결론을 기술하였으며, 그 내용을 요약하면 다음과 같다.

1) 연구 대상인 댐 저장수의 연직 수온에 대한 실측 결과 주냉방기인 8월의 경우 수심 변화에 따른 온도변화가 안정되는 심층부 영역의 냉수를 10 ℃이하로 규정할 때 바닥면으로부터 약 10 m가량의 높이로 형성되는 것으로 나타났다.

2) 수위 변동에 따른 수심확보는 연중 최소 36 m를 유지하고 있으며 하계(7, 8월)의 경우 약 40 m이상의 수심을 확보하기 때문에 수심별 수온의 성층을 형성하는데 문제가 없을 것으로 판단되었다.

3) 적용된 취수 수량이 1 m3/sec일 때 취수 유속이 0.32 m/s인 관경 1,600 mm와 취수구 높이가 바닥면으로부터 3,000 mm이고 수직방향 물의 직접유입을 막는 방지장치를 적용했을 때 수온의 성층이 파괴되지 않는 바닥면으로부터의 높이는 10 m 가량임을 확인하였다.

4) 공급가능 냉수량을 기준으로 선정된 표준건물에 공급시 제안된 냉방시스템 내에서는 주거용 건물은 연간 70개동의 공동주택에 9,032.2 Gcal, 사무소용 건물은 30개동의 건물에 8,016.0 Gcal의 냉방 열원을 공급할 수 있는 것으로 나타났다.

5) 경제성 분석을 실시한 결과 냉방에너지를 5 km 구간에 공급할 경우 주거용 및 비주거용 건물에서 각각 4년과 6년 이내에 투자비 회수가 가능하며 25 km 구간에서는 각각 12년과 14년 이내에 투자비 회수가 가능한 것으로 나타났다. 또한 이산화탄소 저감량 분석결과 주거용 건물과 사무소용 건물을 각각 적용시킬시 연간 주거용 건물에서는 2,280 ton, 사무소용 건물의 경우 2,046 ton의 이산화탄소가 절감되는 것으로 분석되었다.; This study's objective was to propose technique to use lake or river water deep underneath directly as chilled water required for the chilling of building through introduction and heat exchange. So far such using method has not been utilized in the nation for reasons of limitations of initial investment cost or using method etc. This study intends to evaluate the potential of utilizing as heating and cooling heat source for building by actively using the cold water deep underneath in dam reservoir or lake which has not been utilized so far, and propose application plan required to utilize in-depth water chilling system for local chilling.

Study method is as follows: Method of utilizing existing cold water in lake and river, oversea cases, and basic theories on pipe heat loss occurring during transportation of chilling heat source were reviewed. The conditions of yearly temperature change of cold water existing in the in-depth area of dam reservoir, monthly water temperature, and vertical distribution characteristics of turbidity, water temperature distribution by the water depth, and available quantity etc were identified. With the use of computational fluid analysis method, the range that does not experience loss of balance between the amount of cold water taken through virtual water inlet and the amount of influx from adjacent area was calculated. Through proposal of chilling system using in-depth cold water, the scale of chilling heat source that can be supplied was calculated. With the use of the proposed in-depth cold water, the economic feasibility of chilling system was evaluated, and the reduction amount of carbon dioxide generated while the system is applied was analyzed.

Results indicated the following conclusions: 1) As a result of actual measurement of the vertical temperature distribution of the dam reservoir that the study is intended on, when the cold water of in-depth area where temperature change by water depth change is stabilized is specified to temperature 10 ℃ or less in the case of August, the major cold season, the height was set to about 10m from bottom floor.

2) Water depth by water level change is maintained at minimum 36 m throughout the year, and in case of summer in July and August, water depth is maintained at about 40 m or above, so it is judged no problem would occur in forming water temperature stratification by the water depths. 3) It was found that when water inlet height is 3,000 mm from bottom and vertical water flow blocking device is installed while pipe diameter is 1,600 mm with applied water incoming flow rate of 1 m3/sec and water incoming speed is 0.32 m/s, the height from bottom with no destruction of water temperature stratification was 10 m or so.

4) When the amount of cold water that can be supplied was supplied to selected standard building, the proposed chilling system can supply 9,032.2 Gcal to 70 buildings of shared houses, and 8,016.0 Gcal to 30 buildings of office buildings a year.

5) The results of economic feasibility analysis indicated that in case chilling energy is supplied to 5 km segment, investment cost can be restored within 4 years and 6 years respectively in residential purpose and non-residential purpose, and in 25 km segment, within 12 years and 14 years respectively. In addition, carbon dioxide reduction amount analysis results indicated that in case residential building and office building are applied respectively, 2,280 tons of carbon dioxide is saved for residential building, and 2,046 tons for office building.